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1、 热风炉自动控制系统设计开题报告程瑞峰自 186119948952013年 3月 4日一、选题背景、设计意义1选题背景(热风炉技术发展历程)20 世纪 50 年代，我国高炉主要采用传统的内燃式热风炉。这种热风炉存在着诸多技术缺陷，风温较低；20 世纪 60 年代出现的外燃式热风炉，将燃烧室与蓄热室分开，显著地提高了风温，延长了热风炉寿命。20 世纪 70 年代，荷兰霍戈文公司开发了改造型内燃式热风炉，在欧美等地区得到应用并获得成功。与此同时，我国炼铁工作者自行研制的无燃烧室的顶燃式热风炉，并于上世纪 70 年代末在首钢 2 号高炉上成功应用。截至目前，卡式顶燃式热风炉由于具有结构稳定性好、气流
2、分布均匀、布置紧凑、占地面积小、投资省、热效率高、寿命长等优势，已成为世界上最具发展潜力的热风炉。2设计相关内容(1)高炉热风炉结构性能简介热风炉顾名思义就是为工艺需要提供热气流的集燃烧与传热过程于一体的热工设备，一般有两个大的类型,即间歇式工作的蓄热式热风炉和连续换热式热风炉。在高温陶瓷换热装置尚不成熟的当今，间歇式工作的蓄热式热风炉仍然是热风炉的主流产品。蓄热式热风炉为了持续提供热风最起码必须有两座热风炉交替进行工作。热风炉被广泛应用在工业生产的诸多领域，因工艺要求不同、燃料种类不同、热风介质不同而派生出不同用途与不同结构的热风炉。这里要介绍的是为高炉冶炼提供高温热风的热风炉，且都是蓄热室
3、热风炉，因其间歇式的工作方式，必须多台配合以实现向高炉连续提供高风温。(2)高炉热风炉的分类高炉热风炉从结构可以分为外燃结构的热风炉和内燃结构的热风炉两个大类，前者是燃烧室设置在蓄热室的外面，而后者是燃烧室与蓄热室在一个结构里。在内燃结构的热风炉中因燃烧室与蓄热室之间的相对位置不同而分成顶燃式热风炉和侧燃式热风炉，通常我们也将侧燃式热风炉称为一般意义上的内燃式热风炉，因而在目前使用的热风炉中主要是外燃式热风炉、内燃式热风炉和顶燃式热风炉。在这三种典型的热风炉中，外燃式热风炉结构最复杂而材料用量大，故实现结构稳定和提高风温的技术要求也就较高；而内燃式热风炉的火井墙结构稳定性差、且存在燃烧震荡、热
4、风温度不易提高等问题；二、热风炉的工作原理热风炉本质上就是一个通过燃烧方式将空气加热以获得热风的设备，蓄热式热风炉是间歇式工作的，其工作原理可描述为：在热风炉中煤气与空气在燃烧装置中混合燃烧而产生高温烟气，并通过传热装置将其携带的热量在其与蓄热体进行热交换的过程中传递到蓄热体中，一定能够时间之后进行切换，通入冷鼓风，在其与蓄热体的热交换过程中获得热量变成热鼓风而最后送需要的热利用装置，对于高炉热风炉而言就是通过这种方式为高炉提供足够高的热鼓风。由于现代炼铁技术的发展，对高炉鼓风的要求越来越高，其风温要求都在1200上下。显然，为了满足高炉的需求，热风炉从结构到性能都必须与之相适应。高炉热风炉是
5、给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。国内大部分高炉均采用每座高炉带 3至 4台热风炉字并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，另外每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。当一座或者多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。热风炉工作状态改变周期顺序如下：燃烧 休止 送风 休止2.1燃烧制度选择的原则：（1）结合热风炉设备的具体情况，充分发挥助燃风机、煤气管网的能力；（2）在允许范围内最大限度地增加热
6、风炉的蓄热量，利于提高风温；（3）燃烧完全、热损少，效率高，降低能耗。较优的燃烧制度是固定煤气量调节空气量的快速烧炉法，即燃烧初期利用砖温与烟气温度相差较大的时机，以最大煤气量和最小空气过剩系数来强化燃烧，尽快在1530 min 内将拱顶温度烧到规定最高值。燃烧后期适当增大空气过剩系数，维持拱顶温度至燃烧结束。最大限度地增加热风炉蓄热量，以利于提高风温。有预热的助燃空气或煤气时，调节其预热温度，也可在一定范围内作为控制燃烧的辅助手段。2.2送风制度由于热风炉的周期性质，包括送风、燃烧和闷炉3种工作状态，在3种工作状态之间还存在一个换炉的过程。送风和燃烧是主要的工作状态，闷炉只是各热风炉在燃烧或
7、送风之间的一种调节方式或者是在特殊情况下，没有必要进行燃烧或送风的一种休止状态。目前，大型高炉都有四座热风炉，其送风制度有单炉送风、并联送风等。（1）单炉送风单炉送风是在热风炉组中只有一座热风炉处于送风状态的操作制度，热风炉出口温度随送风时间的延续和蓄热室贮存热量的减少而逐渐降低。单炉送风方式一般是在某个热风炉进行检修或高炉不需要很高的风温的情况下进行的送风方式。对于只有3座热风炉的高炉，也基本采用这种送风方式。（2）并联送风并联送风操作是热风炉组中经常有两座热风炉同时送风的操作制度。交错并联送风操作是两座热风炉，其送风时间错开半个周期。对于4座热风炉的高炉来说，各个热风炉的内部状态均错开整个
8、周期的l4。热风炉从单炉送风向交错并联送风操作制度过渡时，热风炉的燃烧时间相对缩短，热风炉的燃烧率提高，两座热风炉同时重叠送风的时间延长。交错并联送风操作时，在两座送风的热风炉中，其中一座“后行炉”处于热量充分的送风前半期；另一座“先行炉”处于热量不足的送风后半期。前半期称为高温送风期，此时热风炉送出高于热风主管内温度的热风。后半期称为低温送风期，此时热风炉送出低于热风主管内温度的热风。交错并联送风又分为冷并联送风和热并联送风，两种送风操作制度的区别在于热风温度的控制方式不同。冷并联送风时的热风温度主要依靠“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管内混合，由于混合后的温度仍高于规定的
9、热风温度，需要通过混风阀混入少量的冷风，才能达到规定的风温。冷并联送风操作的特点是：送风热风炉的冷风调节阀始终保持全开状态，不必调节通过热风炉的风量。风温主要靠混风调节阀调节混入的冷风量来控制。热并联送风操作时，热风温度的控制主要是依靠各送风炉的冷风调节阀调节进入“先行炉”和“后行炉”的风量，使“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管中混合后的热风温度符合规定的风温。三、加热过程介绍在加热期内，在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以使蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内，除了保证拱顶温度不变外,还
10、需要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限，否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。欲使废气温度降低，目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何获得更多的蓄热量，同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控制急需解决的问题。热风炉燃烧用燃料为高炉煤气，采用过剩空气法进行燃烧控制，在规定的燃烧时间内，保持最佳燃烧状态燃烧；在保证热风炉蓄热量的同时，尽量提高热效率并保护热风炉设备。3.1热风炉燃烧分三个阶段：加热初期、拱顶温度管理期和废气温度管理期。加热初期：设定高炉煤气流量和空燃比，燃烧至拱顶温度达到拱顶管理温度后，
11、转入拱顶温度管理期。在加热初期内，高炉煤气流量和助燃空气流量均为定值进行燃烧。在燃烧初期，为了保证空气先行而不冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊调节单元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定单元，同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。拱顶温度开始迅速上升，当检测拱顶温度上升到接近要求温度时，将空燃比模糊设定单元置成自动，检测到的煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比，从而获得空气流量设定值。在
12、空气流量模糊调节单元内，空气流量设定值与检测到的空气流量实际值进行比较，从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后，将废气温度模糊调节单元置为自动，通过低选单元获得煤气流量给定值，与检测到的煤气流量进行比较，从而决定煤气流量调节阀的大小。设置低选单元的目的是为了安全起见，保证通过废气温度模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。在燃烧期内，控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内，在蓄热期内，控制的主要目标变为废气温度，通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在 350内，当废气温度达到 350时，发出燃烧完闷炉信号，热风炉转闷炉状态。拱顶温度管理期：保持高炉煤气流量不变，以拱顶温
13、度控制空燃比，增大助燃空气流量，将拱顶温度保持在拱顶目标温度附近，燃烧至废气温度达到废气管理温度后，转入废气温度管理期。在拱顶温度管理期内，高炉煤气流量为定值进行燃烧，助燃空气流量进行变化以控制拱顶温度。 注：热风炉在蓄热期的模糊控制，当拱顶温度迅速上升到其上限目标后，进入蓄热期，又叫做拱顶温度管理期。进入管理期后，需保持拱顶高温，保证蓄热室充分蓄热。管理期燃烧系统的控制尤其重要，从管理期开始进行模糊控制，使得废气温度按恒定速率上升，蓄热室能够充分蓄热且煤气利用率最高。当废气温度达到上限时，停止加热。废气温度管理期：依据废气温度逐渐减小煤气流量，同时以拱顶温度调节控制助燃空气流量，将拱顶温度保
14、持在拱顶目标温度附近，至废气温度达到废气目标温度后，如果热风炉燃烧制选择为“废气温度到” ，则燃烧过程结束；如果选择为“燃烧时间到” ，则调节煤气流量减小到仅供热风炉保持热状态的需要，直到燃烧时间到时燃烧过程结束。四：热风炉控制过程4.1主要控制的几个过程： （1）燃烧控制用微机控制的自动燃烧形式和方法很多，应用较为普遍的是采用废气含氧量修正空燃比，热平衡计算、设定负荷量的并列调节系统。它是根据高炉使用的风量、需要的风温、煤气的热值、冷风温度，热风炉废气温度，经热平衡计算，计算出设定煤气量和空气量。燃烧过程中随煤气量的变化来调节助燃空气量，采用最佳空燃比，尽快使炉顶温度达到设定值，并保持稳定，
15、以逐步地增加蓄热室的储热量，当废温度达到规定值时(350)热风炉准备换炉。采用废气含氧量分析作为系统的反馈环节，参加闭环控制，随时校正空燃比。（2） 高炉热风温度的控制当热风炉采用“两烧两送交叉并联”送风制度时，靠调节两座送风炉的冷风调节阀的开度，来控制先行(凉)炉、后行(热)炉的冷风流量，保持高炉热风温度的稳定。使用该制度时混风大闸可以关死。当热风炉采用“两烧一送”的送风制度时，需靠调节风温调节阀的开度，兑入冷风量的多少来稳定高炉的热风温度。（3） 换炉控制按时间指令进行换炉的自动控制：当先行热风炉送风时问达到设定值时，发出换炉指令，将先行燃烧炉按停止燃烧转送风程序，转入送风状态。然后将先行
16、送风炉，按停止送风转燃烧程序，转入燃烧状态。如果是采用“两烧一送”的送风制度，送风炉送风时间达到设定值时发出换炉指令，按程序换炉。按温度指令进行换炉的自动控制：当先行送风炉的送风温度低于设定值时(测点在热风出口)发出换炉指令，按停止燃烧转送风的程序，将先行燃烧炉转送风状态，然后按停止送风转燃烧的程序，将先行送风炉转入燃烧状态。如果采用“两烧一送”的送风制度，送风炉的风温低于设定值后发出换炉指令，进行换炉操作。42 热风炉换炉操作：通过热风炉阀门开关的顺序转换，实现热风炉的换炉操作。即完成热风炉由“燃烧”转“送风”和“送风”转“燃烧”的转换。其换炉操作方式有全自动、半自动和手动操作三种方式。(1)全自动操作热风炉按换炉设定条件（例如以时间为设定） ，自动完成换炉过程中各阀门的顺序动作，各阀门动作严格按顺序进行，保持一定的连锁关系。(2)半自动操作当需要进行换炉时，人工发出一个换炉指令，此后热风炉将自动完成换炉过程中各阀门的顺序动作，各阀门的动作保持一定的
